王濤，賀星

（中電科現(xiàn)代導(dǎo)航（西安）科技有限公司，西安 710068）

0 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)，一般由機(jī)載和地面監(jiān)視設(shè)備組成，是一種基于S模式數(shù)據(jù)鏈的自相關(guān)監(jiān)視技術(shù)。ADS-B機(jī)載設(shè)備基于衛(wèi)星定位模塊獲取自身的定位數(shù)據(jù)，以廣播的形式向周邊發(fā)送航空器識(shí)別碼、位置、高度、速度、方向等信息，地面監(jiān)視設(shè)備通過(guò)地/空數(shù)據(jù)鏈通信方式獲取該航空器的相關(guān)信息來(lái)監(jiān)視空中交通狀況，為機(jī)組人員提供運(yùn)行支持或周邊空域監(jiān)視，維護(hù)飛行安全。

在中國(guó)民航的“十二五”規(guī)劃中提出了ADS-B技術(shù)對(duì)未來(lái)通航領(lǐng)域的空域管理和飛行安全保障的需求。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)應(yīng)用于空中交通管制，可以在無(wú)法部署航管雷達(dá)的大陸地區(qū)為航空器提供優(yōu)于雷達(dá)間隔標(biāo)準(zhǔn)的虛擬雷達(dá)管制服務(wù)。廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視技術(shù)，不僅成功應(yīng)用于無(wú)雷達(dá)地區(qū)的遠(yuǎn)程航空器監(jiān)視，而且與傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)也有著廣泛的應(yīng)用前景。

在通航領(lǐng)域的機(jī)載設(shè)備應(yīng)用當(dāng)中，ADS-B機(jī)載設(shè)備功能一般以LRU或LRM模塊化組件的形式作為機(jī)載設(shè)備的一部分功能出現(xiàn)，ADS-B機(jī)載設(shè)備主要分為ADS-B發(fā)射組件和ADS-B接收組件，其中發(fā)射組件作為機(jī)載設(shè)備主要功能，能夠?qū)崿F(xiàn)向地面或周邊空域以S模式1090MHz數(shù)據(jù)鏈形式周期性發(fā)送飛行器自身的狀態(tài)信息，在 ADS-B自相關(guān)監(jiān)視系統(tǒng)當(dāng)中起到了重要的信息廣播功能，周邊的監(jiān)視設(shè)備通過(guò)獲取該定位信息，來(lái)達(dá)到飛行器的空域監(jiān)視目的。

1 ADS-B信號(hào)的內(nèi)容及數(shù)據(jù)格式

1.1 ADS-B信號(hào)內(nèi)容

ADS-B信息數(shù)據(jù)塊是由脈沖位置調(diào)制（PPM）編碼。發(fā)射信息包括一個(gè)前導(dǎo)和一個(gè)數(shù)據(jù)塊，采用隨機(jī)的方式接入1090MHz鏈路。1090ES用發(fā)射機(jī)和發(fā)射天線來(lái)傳送不同的消息，包括 24比特碼、高度、呼號(hào)等。

圖1 ADS-B消息內(nèi)容

1090ES采用擴(kuò)展型斷續(xù)振蕩的方式，由 112個(gè)信息脈沖構(gòu)成的S模式ADS-B長(zhǎng)應(yīng)答信號(hào)通過(guò)機(jī)載設(shè)備每隔1s廣播一次。112位信息脈沖串的前88位為消息位、后24位為奇偶校驗(yàn)位。具體信息內(nèi)容包括經(jīng)度、緯度、方位和速度等信息，如圖 1所示。

1.2 ADS-B信號(hào)格式

1090ES信號(hào)格式與 S模式應(yīng)答機(jī)發(fā)射信號(hào)格式類同，其脈位調(diào)制信號(hào)由前同步脈沖和數(shù)據(jù)脈沖組成，如圖2所示。脈沖寬度為0.5±0.05μs，上升沿50～100ns，下降沿50～200ns。前導(dǎo)脈沖由起始的8μs內(nèi)兩組固定位置的脈沖對(duì)組成。數(shù)據(jù)脈沖是脈位調(diào)制的，其脈位位置隨調(diào)制信息的二進(jìn)制數(shù)而變化，所有脈沖幅度和寬度不變。每位1μs間隔的前半周0.5μs內(nèi)有脈沖時(shí)，邏輯電平為1；每位的后半周0.5μs內(nèi)有脈沖時(shí)，邏輯電平為0。

圖2 1090ES信號(hào)格式

應(yīng)答數(shù)據(jù)可以是56比特位的短形式或者是112比特位的長(zhǎng)形式（根據(jù)應(yīng)答模式DF不同），其中最后24比特位形成奇偶校驗(yàn)和地址區(qū)域。ADS-B的應(yīng)答信號(hào)和格式類似模式 S的全呼應(yīng)答（DF＝0x11，0x17），通過(guò)應(yīng)答詢問(wèn)器可以判斷是否是裝備了模式S的飛機(jī)及其24位地址。全呼應(yīng)答時(shí)，由于接收機(jī)預(yù)先不知道飛機(jī)地址信息，飛機(jī)的應(yīng)答信息中必須包含地址信息，放在S模式應(yīng)答報(bào)告信息的AA字段中，而不是將地址信息加入到末尾24位中。

2 ADS-B機(jī)載發(fā)射組件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

ADS-B機(jī)載發(fā)射組件系統(tǒng)組成包括：GPS/BDS接收模塊、數(shù)據(jù)信息生成模塊、射頻發(fā)射前端、高頻通道、發(fā)射天線。其組成框圖如圖3所示。

GPS/BDS接收模塊通過(guò)接收獲取航空器的經(jīng)度、緯度、高度等定位數(shù)據(jù)。GPS/BDS接收模塊通過(guò)串行接口將數(shù)據(jù)傳送給數(shù)據(jù)信息生成模塊。數(shù)據(jù)信息生成模塊是機(jī)載發(fā)射單元的核心部分，在該模塊當(dāng)中將定位數(shù)據(jù)打包分解成適合 ADS-B數(shù)據(jù)格式的信息，并生成 ADS-B基帶信號(hào)，基帶信號(hào)傳送給射頻發(fā)射前端進(jìn)行1090MHZ的調(diào)制信號(hào)，通過(guò)高頻通道，由發(fā)射天線以廣播的形式向周邊發(fā)送ADS-B的數(shù)據(jù)信息。

2.2 GPS/BDS接收模塊

GPS/BDS接收模塊是獲取航空器自身定位信息的數(shù)據(jù)來(lái)源，系統(tǒng)采用市場(chǎng)成熟的貨架產(chǎn)品，能夠滿足系統(tǒng)所需的技術(shù)指標(biāo)要求，航空器的經(jīng)度、緯度、高度等定位數(shù)據(jù)都通過(guò)該模塊來(lái)獲取。GPS/BDS接收模塊與數(shù)據(jù)信息生成模塊通過(guò)串行接口進(jìn)行連接并傳送定位數(shù)據(jù)。

圖3 ADS-B機(jī)載發(fā)射組件系統(tǒng)組成

2.3 數(shù)據(jù)信息生成模塊

數(shù)據(jù)信息生成模塊是 ADS-B機(jī)載發(fā)射單元的重要組成部分，它是整個(gè)發(fā)射單元的核心。數(shù)據(jù)信息生成模塊是由DSP與FPGA搭建而成。DSP通過(guò)232串口接收GPS/BDS接收模塊獲取的定位數(shù)據(jù)信息，將定位信息進(jìn)行整理分解，轉(zhuǎn)換成112位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。FPGA與DSP之間的數(shù)據(jù)交換通過(guò)雙口 RAM 完成，DSP將數(shù)據(jù)依次順序?qū)懭腚p口RAM，寫完之后通知FPGA數(shù)據(jù)寫滿，F(xiàn)PGA再將數(shù)據(jù)依次取出，根據(jù)1090ES的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，按照數(shù)據(jù)輸出的時(shí)序要求，將4脈沖前導(dǎo)頭首先輸出，然后再根據(jù)取出的數(shù)據(jù)，按位依次輸出，完成基帶信號(hào)的產(chǎn)生。基帶信號(hào)輸出到射頻發(fā)射前端，在射頻發(fā)射前端模塊內(nèi)部進(jìn)行混頻調(diào)制成1090 MHz的ADS-B信號(hào)，最后通過(guò)高頻通道發(fā)送到天線進(jìn)行信息發(fā)送。數(shù)據(jù)生成模塊的原理圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)信息生成模塊原理圖

2.4 射頻前端

ADS-B OUT射頻前端原理框圖如圖5所示，工作原理為終端送來(lái)的 42MHz中頻信號(hào)經(jīng)放大濾波后，與1048 MHz本振信號(hào)混頻送出1090 MHz信號(hào)放大濾波，經(jīng)功放保護(hù)電路后送給40 W脈沖小功放模塊，經(jīng)隔離送200 W脈沖功放，再隔離送900 W脈沖大功放，后低通濾波經(jīng)隔離器輸出，最大功率可達(dá)到54.7 dBm。功放保護(hù)電路內(nèi)含檢波電路、單刀單擲開關(guān)、脈寬比較器、計(jì)數(shù)器電路，通過(guò)對(duì)脈寬、占空比、開路和短路的多重保護(hù)，避免了功放的燒毀，提高了發(fā)射模塊的可靠性和生產(chǎn)性。

3 DSP的軟件設(shè)計(jì)

DSP處理軟件主要功能是通過(guò)接收 GPS/BDS接收模塊獲取的定位數(shù)據(jù)信息，通過(guò)速度表獲取速度數(shù)據(jù)，通過(guò)氣壓表獲取高程數(shù)據(jù)，及飛機(jī)的航班信息數(shù)據(jù)，對(duì)獲取的各種數(shù)據(jù)按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，然后按照DO-260A的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成112位標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式，依次寫入到雙口RAM的存儲(chǔ)寫入單元中，以便FPGA獲取該數(shù)據(jù)并生成基帶信號(hào)的數(shù)據(jù)。

圖5 ADS-B機(jī)載收發(fā)機(jī)組成框圖

圖6 DSP數(shù)據(jù)處理流程

（1）定位數(shù)據(jù)獲取功能單元，完成定位數(shù)據(jù)的接收和數(shù)據(jù)管理，接收 GPS/BDS數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)有效性判斷，對(duì)正確數(shù)據(jù)幀按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)解包，獲取當(dāng)前位置數(shù)據(jù)，并保存最新的位置數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)緩存，更新當(dāng)前定位數(shù)據(jù)。

（2）串口通信模塊，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)收發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)的接收、緩存以及對(duì)緩存數(shù)據(jù)的讀取功能。初始化串口，以及串口數(shù)據(jù)接收和發(fā)送緩存。逐字節(jié)地返回串口數(shù)據(jù)接收緩存中的數(shù)據(jù)，并返回接收緩存中是否有數(shù)據(jù)。將指定長(zhǎng)度的發(fā)送數(shù)據(jù)寫入串口，進(jìn)行通信數(shù)據(jù)發(fā)送。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信模塊，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)收發(fā)功能，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)功能模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，數(shù)據(jù)緩存管理。

（4）數(shù)據(jù)協(xié)議功能模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)議的解包和數(shù)據(jù)打包功能，提供協(xié)議數(shù)據(jù)的有效性判斷，協(xié)議數(shù)據(jù)解析功能，目標(biāo)數(shù)據(jù)的管理功能，對(duì)目標(biāo)數(shù)據(jù)按照通信標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)打包。

（5）中斷功能單元，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中斷功能，在外部信號(hào)觸發(fā)中斷后，執(zhí)行相應(yīng)中斷功能，完成系統(tǒng)定義的功能調(diào)用。初始化系統(tǒng)中斷向量表，定義系統(tǒng)中斷事件，定義中斷觸發(fā)事件，屏蔽未使用的中斷號(hào)。

DSP數(shù)據(jù)處理流程如圖6所示。

4 FPGA的程序設(shè)計(jì)

FPGA的程序設(shè)計(jì)主要包括兩個(gè)部分，一個(gè)是發(fā)射控制模塊 es1090txCtl.vhd;另外一個(gè)是基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊。

4.1 發(fā)射控制模塊es1090tx_Ctl.vhd

4.1.1 控制信號(hào)產(chǎn)生

控制信號(hào)包括：組合讀信號(hào)、組合寫信號(hào)、片選信號(hào)、地址譯碼信號(hào)。根據(jù)不同邏輯需求，產(chǎn)生不同的控制信號(hào)。

4.1.2 控制寄存器寫進(jìn)程

將代表56位或112位1090ES數(shù)據(jù)信息的長(zhǎng)度標(biāo)志，以及復(fù)位狀態(tài)標(biāo)志寫入控制寄存器的低兩位dataT[1:0]?；鶐盘?hào)產(chǎn)生模塊根據(jù)控制寄存器的信息位處理基帶信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程。

4.1.3 狀態(tài)寄存器的讀進(jìn)程

基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊在基帶信號(hào)生成結(jié)束之后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)發(fā)送完畢標(biāo)志DtxFlg，該標(biāo)志將更新狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位，當(dāng)DSP準(zhǔn)備將獲取的定位數(shù)據(jù)寫入雙口RAM時(shí)，會(huì)讀取狀態(tài)寄存器的狀態(tài)位，DtxFlg=1時(shí)，表示上一個(gè)的數(shù)據(jù)基帶信號(hào)發(fā)送完畢，可以寫入新的定位數(shù)據(jù)。

4.2 基帶信號(hào)產(chǎn)生模塊es1090tx_gen.vhd

4.2.1 時(shí)鐘計(jì)數(shù)器進(jìn)程

該模塊當(dāng)中包含兩個(gè)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 Counta和Countb。Counta計(jì)數(shù)器的作用是保證生成基帶信號(hào)的一幀信號(hào)及每一位脈沖寬度的持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)度。Countb計(jì)數(shù)器的作用是生成讀使能信號(hào)rden、雙口RAM 的地址值增量 rdaddr+1、以及移入緩存區(qū)的時(shí)間控制。

4.2.2 基帶信號(hào)控制進(jìn)程

此進(jìn)程中，根據(jù)Counta計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，首先生成4前導(dǎo)脈沖，然后根據(jù)從雙口RAM中取出的數(shù)據(jù)，依次將每一位數(shù)據(jù)按脈沖調(diào)制要求生成0、1數(shù)據(jù)輸出到串行端口，直到該幀112位數(shù)據(jù)信息發(fā)送完成為止，該進(jìn)程結(jié)束。

4.2.3 發(fā)送結(jié)束標(biāo)志進(jìn)程

此進(jìn)程中，根據(jù)數(shù)據(jù)幀標(biāo)志flag的數(shù)值確定是56bit數(shù)據(jù)幀還是112bit數(shù)據(jù)幀。然后通過(guò)Counta計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，按照數(shù)據(jù)幀的長(zhǎng)度決定發(fā)送數(shù)據(jù)結(jié)束標(biāo)志 DtxFlg的數(shù)值，Counta計(jì)數(shù)未完成時(shí)，DtxFlg=0；Counta計(jì)數(shù)完成時(shí)，DtxFlg=1。

DSP通過(guò)判斷 DtxFlg的值來(lái)決定是否更新雙口RAM單元中數(shù)據(jù)。

4.2.4 射頻模塊發(fā)送使能進(jìn)程

此進(jìn)程中，根據(jù)數(shù)據(jù)幀標(biāo)志flag的數(shù)值確定是56bit數(shù)據(jù)幀還是112bit數(shù)據(jù)幀，最終確定生成一幀數(shù)據(jù)所需的發(fā)送時(shí)間。然后通過(guò)Counta計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值，按照發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間長(zhǎng)度決定射頻模塊發(fā)送使能Fs_en的數(shù)值，F(xiàn)s_en=1表示允許發(fā)送打開射頻模塊開關(guān)；Fs_en=0表示禁止發(fā)送關(guān)閉射頻模塊開關(guān)。

5 結(jié)束語(yǔ)

ADS-B機(jī)載發(fā)射組件，作為ADS-B監(jiān)視系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)對(duì)外廣播自身的定位數(shù)據(jù)，使地面 ADS-B監(jiān)視設(shè)備感知空中的交通狀態(tài)，為機(jī)組人員提供運(yùn)行支持或周邊空域監(jiān)視，維護(hù)飛行安全。與傳統(tǒng)的雷達(dá)監(jiān)視技術(shù)相比，ADS-B技術(shù)具有使用成本低、精度誤差小、監(jiān)視能力強(qiáng)等明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于高密度飛行區(qū)域的空中交通服務(wù)也有著廣泛的應(yīng)用前景。

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